基于头部位置特征的疲劳驾驶检测仪

要重新标定是因为驾驶员可能换人 ,每个人头部的位置不完全 员头部与 2个红外线接收头的距离 ,与标准距离比较就能判断
一样 ,标定的结果也会有差异 。
驾驶员的头部是正常位置还是前倾 、侧倾 、后仰 。是否输出报
自动标定头部正常位置的程序就是使红外线发射二极管 警和制动控制电平由计算机程序根据驾驶员头部偏离正常位
图 3 检测仪硬件电路
4 检测仪软件设计
的电流强度由强到弱逐步减小 ,同时检测 IC3、IC4的输出状态 ,
4. 1距离检测方法
判断是否到了接收不到的临界点 ,这是停止发射电流强度减小
有效距离检测与单片机发出的控制字相对应 ,距离检测的 的界限 ,同时读出此刻的控制字数值作为距离标定 。当左右 2
方法是 :逐渐减少红外线发射的强度 ,直到接收不到反射的红 个红外线接收头 IC3、IC4所输出的信号电平一致 ,同时能够保
1 检测仪结构特点 该检测仪由单片机控制反射式红外线传感器对驾驶员头
部位置进行检测 ,通过检测驾驶员在常规坐姿下的头部与座椅 头枕的相对位置 ,自动判断驾驶员是否处在疲劳驾驶状态中 。 如果驾驶员处在疲劳驾驶状态中 ,头部必定偏离正常位置并且 时间超过设定值 ,则输出报警和制动控制信号 。检测仪中的反 射式红外线传感器由 1个红外线发射二极管和 2个红外线接 收头组成 ,红外线发射二极管发射经过调制的 38 kHz红外线光 束 ,安装在座椅头枕上前方正对驾驶员头部的位置 ,红外线发 射二极管放置在中间 , 2个红外线接收头对称放置在左右两边 。 2 驾驶员头部位置分析
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Instrument Technique and Sensor
M ay12008
图 4 头部正常位置的自动标定程序框图 置后的持续时间决定 。 5 实验结果分析
将该检测仪安装在捷达和雨燕等汽车上并进行了大量的 实验 ,对 5 个驾驶员的正常驾驶状态和疲劳驾驶状态进行测 试 ,测试数据如表 1所示 。可以看出该检测仪能实时地跟踪和 判断测试人员的疲劳状态 ,同时对醉酒驾驶的不正当坐姿也起 到警示作用 。
第 5期
Biblioteka Baidu
田文杰等 :基于头部位置特征的疲劳驾驶检测仪
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红外线接收头已经不能接收到被反射回来的红外线了 ,在计算 机程序中得到距离无限大的结果 ,这说明驾驶员疲劳程度进一 步增强 ,应及时报警或输出制动信号 。
图 2 驾驶员头部位置俯视图 3 检测仪的硬件设计
检测仪的硬件电路图如图 3所示 ,图中 LED为红外线发射 二极管 , IC3、IC4 为红外线接收头 , MCU 为 ATmaga8 单片机 。 LED发射 38 kHz的红外线调制光束 ,经驾驶员头部反射后会 照射到 IC3、IC4的接收窗口 , IC3、IC4 对接收信号进行解调 ,经 放大处理后以高或低电平的方式送到单片机 MCU的 输 入 口
D evelopm en t of Fa tigue D r ive D etector Ba sed on Character istics of Head Position
TIAN W en2jie, L IU J i2cheng ( Automa tion In stitute of Be ijing Un ion Un iversity, Be ijing 100101, Ch ina )
662. [ 3 ] GRACE R, BYRNE V E, B IERMAN D M , et al. A drowsy driver de2
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2008年 第 5期
仪表技术与传感器
In strum en t Techn ique and Sen so r
2008 No15
基于头部位置特征的疲劳驾驶检测仪
田文杰 ,刘继承
(北京联合大学自动化学院 ,北京 100101)
摘要 :针对目前严重的疲劳驾驶行为 ,研制了一种疲劳驾驶检测装置 。在座椅头枕上前方正对驾驶员头部的位置安 装 1个红外线发射二极管和 2个红外线接收头 ,由单片机控制红外线发射的电流强度 ,同时检测接收头的信息就可以检 测头部的相对位置 。如果驾驶员处在疲劳驾驶状态中 ,头部必定偏离正常位置并且时间超过设定值 ,则输出报警和制动 控制信号 。在几种典型车辆上对该系统进行了实验 ,验证了方法的正确性和有效性 ,并能达到较高的测量精度 。 关键词 :红外线 ;单片机 ;距离测量 ;头部位置 ;疲劳驾驶 中图分类号 : TP216 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 1841 (2008) 05 - 0024 - 03
收稿日期 : 2007 - 07 - 02 收修改稿日期 : 2008 - 03 - 03
变化 ,这时可以用时间来区别 , 2 s以内恢复正常位置的不作为 疲劳驾驶判定 。
图 1 ( c)表示驾驶员在有意识地短暂休息和闭上眼睛驾 驶 ,但还没有完全睡着时的姿势 ,但这是完全睡着的前奏 ,其头 部位置紧靠座椅头枕 ,距离为 0,这种情况下应该及时报警 ,发 展下去就会演变成图 1 ( b)的情况 。
参考文献 : [ 1 ] 王武宏. 道路交通系统中驾驶行为理论与方法. 北京 :科学出版
社 , 2001. [ 2 ] ZHU ZW , J IQ. Real time and non2intrusive driver fatigue monitoring.
IEEE Conference on Intelligent Transportation System s. 2004: 657 -
线 ,计算机程序将口线的值送到内存保存 ,供后面的程序作为 判断依据 。
红外线发射二极管 LED 发射的红外线的有效检测距离与 通过红外线发射二极管的电流是对应的 ,红外线发射二极管 LED 的电流由三端集成稳压器 IC2的输出电压决定 ,三端集成 稳压器 IC2的输出电压受计算机程序输出的控制字控制 。
如果某个红外线接收头没有接收到红外线信号 ,则判定为
序在汽车启动发动机再延时一段时间内运行 ,因为疲劳驾驶不 此红外线接收头与驾驶员头部的距离大于此时与控制字相关
会发生在这段时间内 。当行驶到主路后 ,头部的动作逐步稳 联的距离 。
定 ,这时候才是对头部进行正常位置标定的正确时机 。每次都
2个红外线接收头所输出的信息分别反映了同一时刻驾驶
Abstract: A kind of automatic detection method using reflective infrared sensor controlled by single chip p rocessor was intro2 duced. By testing the relative position between the driver’s back head and the head of chair under conventional sitting posture, the detector automatically judged whether the driver was in the state of fatigue drive. If it was, the driver’s back head should depart from the normal position and the time exceed a set value, then the system outputted alarm signal and brake control signal. Its hard2 ware circuit and software design were mainly described. The features of the detector are simp le structure, short p rogram and relia2 ble performance. The experimental results demonstrate the validity of all the methods p roposed in the dissertation, and the test show this detector has high accuracy. Key words: infrared; single chip p rocessor; distance measurement; head position; fatigue drive
在驾驶过程中 ,驾驶员正常和疲劳时其头部位置是不同 的 ,侧视图如图 1所示 ,图 1 ( a)表示驾驶员在正常驾驶汽车时 其头部位置与座椅头枕有几 cm 的较小距离 ,而不是完全靠紧 头枕 ,因为靠紧头枕驾驶眼睛会感觉很不舒服 ,不方便观察距 离汽车较近的道路情况 。
图 1 ( b)表示驾驶员疲劳驾驶汽车时最常见的开车睡眠姿 势 ,也是驾驶员最初的疲劳睡眠姿势 ,这时驾驶员头部距离座 椅头枕一般大于 15 cm ,这种情况下应及时报警 ,如果持续 2 s就 应启动制动系统自动刹车 。但是短暂的其他非疲劳动作 ,如探 身操作仪表板上的开关 、回头观察等短时动作也有类似的距离
外线光束 ,此时的控制字对应的距离值就是当前驾驶员头部与 持相当一段时间不变时 ,就可以用此时的控制字作为标准距离
座椅头枕的距离 。
标定 。每个控制字都对应 1个实际的距离 。
4. 2 驾驶员头部位置的自动标定
4. 3 驾驶员头部偏离正常位置的检测
单片机程序框图如图 4所示 ,自动标定头部正常位置的程
图 1 驾驶员头部位置侧视图 图 2为驾驶员头部的俯视图 ,其中圆形代表驾驶员的头 部 ,箭头代表红外线发射和反射的路线 。图 2 ( a)为正常驾驶时 驾驶员头部与红外线传感器的相对位置示意图 ,红外线从中间 的红外线发射二极管发射出来到被驾驶员头部反射回左右 2 个红外线接收头 ,所经过的距离基本相等 。 图 2 ( b)表示驾驶员疲劳后的头部位置 ,是向左或右歪斜 的情况 ,这与图 1 ( b)的典型位置有所不同 ,是一种中间过渡的 疲劳形态 ,最终也会转化到图 1 ( b)的位置 ,这时红外线传感器 将检测出左右不同的距离 ,也应及时报警或输出制动信号 。 图 2 ( c)表示驾驶员疲劳后头部继续偏移的位置 ,一侧的
表 1 实验测试数据
%
测试人员
1 2 3 4 5
正常驾驶状态的准确率
9415 9216 9215 9114 9218
疲劳驾驶状态准确率
9416 9217 8915 8819 9315
6 结束语 该检测仪完成了驾驶员头部位置正常与否的识别 ,进而判
断驾驶员是否疲劳驾驶 ,是简单技术的智能化应用 。该检测仪 可以低成本地装备现有汽车 ,提高安全几率 ,便于大规模推广 , 市场需求潜力巨大 。
控制字最大值是二进制 11111111d,此时 R1 ～R8 全部接 地 , R12的综合阻值最小 ,三端集成稳压器 IC2的输出电压 Vout也 最小 , LED发射的红外线光束的有效距离也最小 ,适当调整 R1 ～R8 的数值 , 可以将 LED 发射的红外线光束的有效距离调整 到 1 cm 左右 。当控制字最小值是二进制 00000000d,此时 R1 ～ R8 电阻全部悬浮 , R12的综合阻值就是 R12 ,三端集成稳压器 IC2 的输出电压 Vout最大 ,红外线发射二极管 LED 发射出的红外线 光束的有效距离也最大 ,适当调整 R12的数值 ,可以将红外线发 射二极管 LED 发射出的红外线光束的有效距离调整到 20 cm 左右 。1～20 cm 的有效检测距离能够满足实际需要 。